更高更妙的物理：專題25波動(dòng)光學(xué)與量子理論拾零

1、專題25 波動(dòng)光學(xué)與量子理論拾零本專題簡(jiǎn)略介紹波動(dòng)光學(xué)、量子物理學(xué)的若干知識(shí)與方法。 人們發(fā)現(xiàn)光的干涉、衍射與偏振等現(xiàn)象以及測(cè)出水中光速小于空氣中的光速使光的波動(dòng)說(shuō)有了重要的實(shí)驗(yàn)論據(jù)；麥克斯韋建立的電磁理論，進(jìn)一步指出光是一種電磁波：實(shí)驗(yàn)測(cè)得的光速與電磁波在真空中的傳播速度的理論值很好地相符；與電磁波一樣，光是一種橫波，可見(jiàn)光是波長(zhǎng)在、頻率在之間的電磁波，各種色光具有一定的頻率。 頻率相同、相差恒定的兩列光波相遇會(huì)發(fā)生干涉現(xiàn)象，歷史上著名的獲得相干光源的干涉實(shí)驗(yàn)有：楊氏雙縫實(shí)驗(yàn) 這是最早以明確形式確立光波疊加原理，用光的波動(dòng)性解釋干涉現(xiàn)象的一個(gè)實(shí)驗(yàn)。楊氏實(shí)驗(yàn)示意圖如圖所示，根據(jù)惠更斯原理，認(rèn)為

2、雙縫和是兩個(gè)發(fā)射子波的波源，它們都是從同一個(gè)光源而來(lái)并位于同一個(gè)子波波面，故它們的相位總是相同而能構(gòu)成相干光源。如圖所示，若雙縫間距離為，縫屏到光屏間距為，光屏上任一點(diǎn)到雙縫的距離為、，從和到達(dá)的光程差為，式中表示對(duì)雙縫中點(diǎn)的張角，如圖所示。若光程差等于波長(zhǎng)整數(shù)倍，即，點(diǎn)為亮點(diǎn)。通常能觀察到干涉條紋的情況下總是很小，則，故光屏上各級(jí)亮紋高中心的距離為，若光程差滿足，點(diǎn)為暗點(diǎn)，則各級(jí)暗紋離中心的距離為， 兩相鄰明條紋或暗條紋間距，即能觀察到的干涉條紋是等距離分布的。菲涅爾雙棱鏡實(shí)驗(yàn) 如圖所示，雙棱鏡截面為等腰三角形，由上、下兩頂角、各約左右、底面重合的直角三棱鏡構(gòu)成，從狹縫（垂直于紙面，下同）光

3、源發(fā)出的光波，經(jīng)過(guò)這個(gè)薄薄的雙棱鏡，光束向相反方向偏折，分成的兩束光波，好像來(lái)自虛線光源和，兩虛光源發(fā)出的光在畫(huà)有陰影線的部分疊加，使這個(gè)區(qū)域成為干涉區(qū)，虛線光源和即為相干光源。若雙棱鏡玻璃折射率為，狹縫光源到雙棱鏡距離為，當(dāng)從三棱鏡出射光垂直于出射面時(shí)，有最小偏向角，這也正是光源發(fā)出的光束的半張角，光源發(fā)出的沿對(duì)稱軸的光從雙棱鏡射入時(shí)入射角，出射時(shí)的折射角為，這也正是虛光源和發(fā)出的光束的張角，由此，兩相干光源間距離，若在與光源相距處置一光屏，與楊氏雙縫一樣，屏上會(huì)有明暗相間均勻分布的干涉條紋，相鄰明（暗）條紋間的距離。 菲涅爾雙鏡實(shí)驗(yàn) 菲涅爾雙鏡是兩個(gè)交角很小的平面鏡，如圖所示，從狹縫發(fā)出的

4、光波，經(jīng)平面鏡和反射后成為兩束相干光波，兩束光好像來(lái)自光源在兩鏡中所成虛像和，和即為相干光源，兩光束疊加部分如圖中畫(huà)部分所示。若兩鏡間很小的夾角為，圖中，與關(guān)于對(duì)稱，與關(guān)于對(duì)稱，由幾何關(guān)系可知狹縫的兩虛像、對(duì)兩平面鏡交線的張角為，故和的距離；若在與兩相干光源和距離為處置光屏，在兩反射光交疊處、如圖中屏上間，可觀察到干涉條紋，相鄰兩明（暗）條紋間距離為。 洛埃鏡實(shí)驗(yàn) 洛埃鏡是一種更簡(jiǎn)單的觀察干涉現(xiàn)象的裝置，實(shí)驗(yàn)示意如圖所示，為狹縫光源，其一部分光直射在光屏，另一部分幾乎與鏡面平行地射向鏡面，然后反射光到達(dá)屏上，反射光就像來(lái)自的虛像，與構(gòu)成一對(duì)相干光源，直射光束與反射光束重疊區(qū)域即可觀察到干涉條紋

5、。在洛埃鏡實(shí)驗(yàn)中，平面鏡處在兩相干光源的對(duì)稱軸上，圖中點(diǎn)到兩波源光程差為零，但此處為一暗條紋，這是因?yàn)楣鈴墓馐杞橘|(zhì)射向光密介質(zhì)界面而發(fā)生反射時(shí)，有半波損失。屏上各級(jí)亮條紋出現(xiàn)在兩光源光程差為半波長(zhǎng)奇數(shù)倍的那些位置，各級(jí)暗條紋則出現(xiàn)在兩光源光程差為波長(zhǎng)整數(shù)倍的那些位置，干涉條紋間距的計(jì)算與楊氏實(shí)驗(yàn)相同。 上面介紹的各種干涉，都屬于同一類干涉，即把同一光源發(fā)出的同一波面設(shè)法分開(kāi)造成光程差從而引起干涉；另一類干涉是利用同一入射光波的振幅（能量）通過(guò)兩個(gè)表面的先后反射加以分解，例如薄膜干涉?！纠?】如圖所示，在玻璃基底上涂?jī)蓪颖∧ぃ鼈兊暮穸确謩e用和表示?？諝?，兩層膜以及玻璃的折射率依次為，且滿足。波

6、長(zhǎng)為的單色光垂直入射，已知在三個(gè)界面處反射后所得三束光振幅相等。為了使反射光的總強(qiáng)度為零，必須適當(dāng)選擇所涂薄膜的厚度和。試求的最小值，以及取上述最小值時(shí)的最小值。【分析與解】設(shè)入射光相位為零，在空氣與界面上的反射光稱反射光，與界面上的反射光稱反射光，與玻璃界面上的反射光稱反射光，因?yàn)槿瓷涔饪偣鈴?qiáng)為零，振幅相同，故三束反射光兩兩之相差必為，注意到光從光疏介質(zhì)射向與光密介質(zhì)的界面時(shí)反射光的半波損失，各光矢量關(guān)系如圖所示。當(dāng)取最小值時(shí)，反射光與反射光光程差為，由圖知反射光與反射光相位差為，則，故；反射光與反射光的光程差為，而相位差由圖可知為，即，代入可得?！纠?】利用空氣劈尖的等厚干涉條紋可測(cè)量

7、精密加工工件表面極小的紋路的深度。在工件表面上放一平板玻璃，使其形成空氣楔，如圖甲所示，以單色光垂直照射玻璃表面，在顯微鏡中觀察干涉條紋。由于工件表面不平，觀察到的條紋如圖乙所示，試根據(jù)紋路彎曲的方向，說(shuō)明工件表面上紋路是凹還是凸？并證明紋路深度可用下式表示?！痉治雠c解】本題是光的薄膜干涉應(yīng)用于精密加工檢驗(yàn)的一個(gè)實(shí)例。先討論一下楔形空氣薄膜的干涉原理；如圖所示，兩塊大的平板玻璃一端密合，另一端嵌一極薄墊層（圖中已特別予以放大），兩板間即形成頂角為的楔形空氣薄膜，膜的上、下兩個(gè)表面即玻璃板內(nèi)表面。用單色光垂直照射玻璃板，就可觀察到明暗相間、間隔等距的干涉條紋，其發(fā)生原因是由于單色光在楔形空氣薄膜

8、上、下兩個(gè)表面的反射光有相差。在某些點(diǎn)，入射光在空氣膜上表面反射的反射光相位無(wú)變化，在下表面反射得到的反射光有半波損失，再加上在這空氣層一個(gè)往返的光程，兩反射光在點(diǎn)疊加時(shí)若有，此處兩反射光疊加加強(qiáng)，出現(xiàn)亮紋，而在另一些點(diǎn)，兩反射光在點(diǎn)疊加時(shí)若有，此處兩反射光疊加減弱，出現(xiàn)暗紋，由于各處厚度均勻增大，即有，相鄰兩明（暗）條紋間距離為。由上討論可知，楔形空氣薄膜干涉中，各級(jí)亮、暗條紋分別出現(xiàn)在膜的厚度為奇數(shù)倍與整數(shù)倍的那些位置，每一條紋都與一定的值相當(dāng)，故這樣的干涉條紋稱為等厚條紋。 用來(lái)測(cè)量精密加工工件表面極小紋路深度的空氣楔是在被測(cè)工件表面上放一平板玻璃（稱平面驗(yàn)規(guī)）而形成，若工件表面不平，觀

9、察到的干涉條紋會(huì)有彎曲。本題中我們看到，條紋是向楔頂方向彎凸的，說(shuō)明凸處空氣膜的厚度已達(dá)到離楔頂稍遠(yuǎn)處某一條紋所對(duì)應(yīng)的膜厚，故此處被驗(yàn)表面一定有凹陷，如圖所示。根據(jù)上面的討論，等厚條紋間距，若以表示凹陷最大深度，無(wú)凹陷時(shí)，該處膜的厚度比距它的那一級(jí)條紋所對(duì)應(yīng)的膜厚小，則。光的直進(jìn)現(xiàn)象是在衍射不明顯時(shí)的近似，而衍射才是光波的本性特征之一，能觀察到明顯光衍射的條件是孔、縫、障礙物尺寸與光波波長(zhǎng)可比。因可見(jiàn)光波長(zhǎng)的數(shù)量級(jí)在幾百納米，故一般情況下，不易觀察到明顯的光衍射現(xiàn)象，但在障礙物大小與光波波長(zhǎng)差不多時(shí)，光偏離直線路徑的現(xiàn)象會(huì)很明顯。大氣中天然出現(xiàn)的衍射現(xiàn)象月暈和日暈，是懸浮在高空的微粒所導(dǎo)致的：

10、如果高空的水氣達(dá)到飽和，月光在霧滴上彎折了路徑，使得地面上觀察者看到月邊上有彩色光環(huán)，這就是月暈；著名的日暈發(fā)生在喀拉卡火山爆發(fā)后，火山爆發(fā)后的灰土被風(fēng)卷?yè)P(yáng)至高空，日光經(jīng)塵埃微粒而彎曲，使人們看到太陽(yáng)外周出現(xiàn)赤色的光環(huán)。一些助視光學(xué)儀器的分辨本領(lǐng)與光的衍射有關(guān)，在上一個(gè)專題里，我們討論光學(xué)儀器的成像與放大本領(lǐng)時(shí)，是基于幾何光學(xué)的直線傳播規(guī)律，在那里，似乎只要適當(dāng)選擇透鏡的焦距，得到所需要的放大率，就可以將任何微小物體放大到清晰可見(jiàn)的程度。但實(shí)際上，各種光學(xué)儀器由于衍射現(xiàn)象所限制，即使所成的像很大（即對(duì)人眼的張角足夠大），但明晰程度卻并不增加。這是因?yàn)槲稂c(diǎn)發(fā)出的光通過(guò)物鏡時(shí)，由于衍射，并不能聚焦

11、為幾何像點(diǎn)，而是成一衍射圖樣，衍射圖樣中央亮區(qū)是有一定大小的亮魔，極小的物體兩端點(diǎn)相隔極近，其光通過(guò)物鏡，將是兩個(gè)大部分相重疊的亮魔，則我們?nèi)匀徊荒芊直孢@兩點(diǎn)。恰能分辨兩物點(diǎn)，至少應(yīng)使兩物點(diǎn)的衍射圖樣中心間的距離等于中央亮魔的半徑，這個(gè)條件被稱為瑞利準(zhǔn)則。此時(shí)，兩物點(diǎn)在物鏡處的張角稱為最小分辨角，用表示，如圖。根據(jù)數(shù)學(xué)分析得出最小分辨角大小以下式確定為，即最小分辨角的大小與儀器孔徑及光波波長(zhǎng)有關(guān)。最小分辨角的倒數(shù)被稱為儀器的分辨率?！纠?】一天文望遠(yuǎn)鏡的物鏡直徑為，試求能夠被它分辨的雙星對(duì)它張開(kāi)的最小夾角，設(shè)入射光的波長(zhǎng)為。若人眼瞳孔的直徑為，求該望遠(yuǎn)鏡與人眼相比，其分辨率是人眼的多少倍？【分

12、析與解】望遠(yuǎn)鏡的最小分辨角。人眼的最小分辨角則為，望遠(yuǎn)鏡與人眼相比，其分辨率是人眼分辨率的倍數(shù)為倍。人們從光的偏振現(xiàn)象認(rèn)識(shí)到光是橫波。我們知道，光是電磁波的特例，電磁波被表征為互相垂直的電場(chǎng)強(qiáng)度矢量與磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量的振動(dòng)（周期性變化），光振動(dòng)指的是電場(chǎng)強(qiáng)度矢量光矢量的振動(dòng)。普通光源發(fā)出的光稱為自然光，這是因?yàn)榇罅吭诎l(fā)光時(shí)，各原子所發(fā)光的光矢量取所有可能的方向，沒(méi)有哪個(gè)方向較其他方向更占優(yōu)勢(shì)，平均采看，光矢量的振動(dòng)對(duì)于光傳播方向是對(duì)稱而又均勻分布的；激光器所發(fā)出的光是偏振光，即光矢量在一個(gè)固定平面內(nèi)只沿一個(gè)固定方向做振動(dòng)。光矢量振動(dòng)方向與光傳播方向所成平面稱為振動(dòng)面。圖甲表示沿軸傳播的自然光，對(duì)

13、自然光中任何取向的光矢量都分解為相互垂直的兩個(gè)方向上的分量，就可以用振動(dòng)方向互相垂直的兩個(gè)偏振光來(lái)表示自然光，如圖乙所示。圖中用黑點(diǎn)表示垂直于紙面的光振動(dòng)，雙箭頭短線表示在紙面內(nèi)的光振動(dòng)，點(diǎn)、線畫(huà)成均勻分布，表示代表自然光的這兩個(gè)方向的偏振光強(qiáng)度是一樣的。圖則表示各種偏振光。自然光在兩種介質(zhì)的界面上反射與折射時(shí)，反射光與折射光都將成為偏振光，在特定條件下，反射光有可能成為完全偏振光。如圖所示，為自然光入射線，在兩種介質(zhì)的界面上點(diǎn)反射與折射，反射線為，折射線為，反射光與折射光均為部分偏振光，反射光中垂直于入射面的振動(dòng)多于平行于入射面的振動(dòng)，而折射光情況相反。當(dāng)我們改變?nèi)肷浣?，反射光的偏振化程度?/p>

14、隨之改變，當(dāng)反射光與折射光互相垂直時(shí)，在反射光中只有垂直于入射面的振動(dòng)，而平行于入射面的振動(dòng)變?yōu)榱?，即反射光成為完全偏振光，這時(shí)的入射角叫全偏振角，若以示之，由以及折射定律，得， 這個(gè)規(guī)律被稱為布儒斯特定律，全偏振角亦稱布儒斯特角。反射光成為全偏振光的布儒斯特角與兩種介質(zhì)的相對(duì)折射率有關(guān)?！纠?】如圖所示，一塊折射率為的平行玻璃板浸在水中，一束自然光入射到水面上時(shí)，反射光是完全偏振光?，F(xiàn)要使玻璃表面的反射光也是完全偏振光，試問(wèn)玻璃表面與水平面的夾角應(yīng)為多大？水的折射率?！痉治雠c解】由題給條件知，自然光對(duì)水面的入射角為全偏振角，即，且，自然光經(jīng)水面折射后折射角由折射定律，可得；進(jìn)入水中的折射光到

15、達(dá)玻璃板表面，對(duì)玻璃板而盲，為一部分偏振的入射光，要使其經(jīng)玻璃表面反射后成完全偏振光，其對(duì)玻璃的入射角需滿足，可得。由幾何關(guān)系易得，玻璃表面與水平面的夾角。 量子理論創(chuàng)生于上世紀(jì)初，是對(duì)輻射與實(shí)物的行為、特別是微觀層次上的行為最精確與完備的描述，它的實(shí)際影響廣及每一種基于微觀世界的細(xì)節(jié)的器件或觀念：諸如晶體管、硅片和集成電路因而全部信息和通信技術(shù)如計(jì)算機(jī)、電視機(jī)、大部分現(xiàn)代化學(xué)與生物學(xué)、激光器、對(duì)從超導(dǎo)到中于星的不同實(shí)物的理解、原于核物理學(xué)、核能和核武器整個(gè)高技術(shù)領(lǐng)域的中心就是一個(gè)高度量子化的粒子：電子。量子理論是科學(xué)家用來(lái)研究微觀世界的一套想法，量子物理學(xué)認(rèn)為自然界的變化是以不連續(xù)的方式發(fā)生

16、的，自然界在微觀層次上由隨機(jī)性支配著，自然界電子、質(zhì)子和波同它們的環(huán)境是深深地連通著而不可分離的。量子理論起始于對(duì)黑體輻射中“紫外災(zāi)難”問(wèn)題的解釋。在專題中我們?cè)榻B過(guò)，黑體能在任何溫度下吸收所有的電磁波輻射，處于熱平衡的黑體有最大的吸收與輻射電磁波的本領(lǐng)。黑體單位表面積的輻射功率與其絕對(duì)溫度的四次方成正比，即：，式中斯忒藩常數(shù)。經(jīng)典理論還指出，當(dāng)溫度升高時(shí)，黑體最大發(fā)射本領(lǐng)向短波方向移動(dòng)，例如，熾熱物體在溫度不很高時(shí)，輻射能量集中在長(zhǎng)波區(qū)，發(fā)出的是紅外線或紅赭色光；溫度較高時(shí)，輻射能量主要在短波區(qū)，因而發(fā)出白光或紫外線。由這一理論，隨著波長(zhǎng)的減小，發(fā)射本領(lǐng)無(wú)限增大，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果不符。事實(shí)是，

17、隨著波長(zhǎng)的減小，輻射功率趨向于零！經(jīng)典理論在短波端遭遇的這個(gè)失敗被稱作“紫外災(zāi)難”。普朗克提出的量子假說(shuō)，得出了與實(shí)驗(yàn)完全相符的結(jié)論，他假設(shè)輻射黑體是由帶電的諧振子（如分子、原于）所組成，由它們的振動(dòng)而輻射電磁波，每個(gè)振子的能量只可能處于某些不連續(xù)狀態(tài)，它們是一個(gè)最小能量的整數(shù)倍，這個(gè)最小能量就叫量子。如果諧振子的頻率為，則最小能量，為普朗克恒量，其值。 諧振子能量只可能是，為正整數(shù)，稱為量子數(shù)。這樣，被老師忠告以“年輕人，物理學(xué)已經(jīng)不會(huì)有什么發(fā)展了，這是一條死胡同”的普朗克以全新的理念將物理學(xué)帶進(jìn)了后牛頓時(shí)代。愛(ài)因斯坦推廣了普朗克關(guān)于輻射的量子概念，在對(duì)光電效應(yīng)現(xiàn)象的研究中，指出：光在傳播過(guò)

18、程中，具有波動(dòng)的特性，然而在光的發(fā)射和吸收中卻有類似粒子的性質(zhì)，光本身只能一份份地發(fā)射，一份份地吸收，這一份能量被稱為光子。光于的能量；按照相對(duì)論質(zhì)能關(guān)系，光子的質(zhì)量；光子的動(dòng)量。光于假說(shuō)不再認(rèn)為光能均勻地分布在波面上，而是集中在光于上，從能量守恒出發(fā)建立光電效應(yīng)方程，不但對(duì)光電效應(yīng)有了一個(gè)成功的解釋，同時(shí)也使人們認(rèn)識(shí)到光不僅具有波動(dòng)性，而且具有粒子性。自然界的波粒二象性露出端倪。射線經(jīng)物質(zhì)散射實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)了光于說(shuō)?？灯疹D在研究射線通過(guò)碳、石蠟等物質(zhì)散射時(shí)，發(fā)現(xiàn)散射波中除與原入射線相同波長(zhǎng)的射線外，也有波長(zhǎng)大于原射線的，波長(zhǎng)的改變量與散射方向有關(guān)。這種波長(zhǎng)改變的散射稱為康普頓效應(yīng)。從波動(dòng)觀點(diǎn)

19、采看，光的散射是由于電磁波通過(guò)物體時(shí)引起物體內(nèi)帶電粒子的受迫振動(dòng)，從而產(chǎn)生散射光，故此，散射光的頻率、波長(zhǎng)應(yīng)與入射光相同。波長(zhǎng)變化的康普頓效應(yīng)，純波動(dòng)說(shuō)難以解釋，而要應(yīng)用光于理論。設(shè)自由電子在受光于作用前是靜止的，光于與電于做彈性碰撞，入射光子的動(dòng)量，散射光子動(dòng)量，被碰后電子獲得動(dòng)量，光于散射角為，由如圖所示動(dòng)量守恒關(guān)系；靜止電子能量，碰撞后電子能量，由能量守恒條件有，即 ；根據(jù)狹義相對(duì)論，電子質(zhì)量與速度關(guān)系為，由以上三式可得。此式給出了波長(zhǎng)改變與散射角的關(guān)系，當(dāng)散射角為時(shí)，與實(shí)驗(yàn)觀察值符合?！纠?】頻率為的光，射到一平面鏡上，設(shè)單位時(shí)間內(nèi)到達(dá)鏡面單位面積上的入射光光子數(shù)目為，平面鏡的反射率為

20、，光對(duì)平面鏡的入射角為。試求：光對(duì)平面鏡的壓力；光作用在平面鏡上的切向力?！痉治雠c解】光于說(shuō)認(rèn)為光于具有動(dòng)量的觀點(diǎn)，除解釋康普頓效應(yīng)外，還可以說(shuō)明光壓的作用，即當(dāng)光子流遇到障礙物時(shí)，會(huì)對(duì)障礙物施加壓力的作用，如同氣體分子在容器壁上碰撞形成氣體對(duì)器壁的壓強(qiáng)一樣，光壓就是光于流產(chǎn)生的壓強(qiáng)。本題是光子存在動(dòng)量的一個(gè)例證。設(shè)時(shí)間打在平面鏡單位面積上的光子數(shù)為，動(dòng)量的法向分量為，反射的光子數(shù)為，動(dòng)量的法向分量為，方向與相反。由動(dòng)量定理，光對(duì)平面鏡單位面積的正壓力即光壓為 光作用在平面鏡上的切向力由所吸收光于的切向沖量引起，由動(dòng)量定理。對(duì)輻射顯示出波粒二象性作一對(duì)稱思考，法國(guó)物理學(xué)家德布羅意提出了一個(gè)更大

21、膽的假說(shuō)，即將波粒二象性推廣到實(shí)物粒子如果用能量和動(dòng)量來(lái)表征實(shí)物粒子的粒子性，用頻率和波長(zhǎng)來(lái)表征實(shí)物粒子的波動(dòng)性，那么，與實(shí)物粒子聯(lián)系著的波，其波長(zhǎng)，這種波就是通常所稱的物質(zhì)波。德布羅意在他提交的博士學(xué)位論文中寫(xiě)進(jìn)了這極具對(duì)稱與奇異之美的想法，使博士學(xué)位評(píng)委會(huì)為之噤然，只得將論文寄給愛(ài)因斯坦，被青年學(xué)者的創(chuàng)見(jiàn)深深打動(dòng)的愛(ài)因斯坦評(píng)論道：“它是照在這個(gè)最難解的物理之謎上的第一縷微弱之光”。今天，我們從電子干涉或衍射圖樣中可以認(rèn)識(shí)實(shí)物粒子的波動(dòng)性。【例6】電子顯微鏡的電子波長(zhǎng)為，試估算所需電子動(dòng)能的最小值及加速電壓?！痉治雠c解】由德布羅意波波長(zhǎng)與動(dòng)量的關(guān)系，電子的動(dòng)量；而電子的動(dòng)能；則加速電壓應(yīng)為。

22、 玻爾在年分三次發(fā)表的被譽(yù)為“偉大的三部曲”的長(zhǎng)篇論著論原子構(gòu)造和分子構(gòu)造成功地把量子觀念引入到原于理論中去，制定了量子化的原子模型，成功解釋了原子穩(wěn)定性問(wèn)題及發(fā)光行為。在玻爾的原于模型中，核外電子的軌道不是任意的，而只能是一些量子化的軌道，在這些軌道上，電子繞核運(yùn)動(dòng)的角動(dòng)量是芒的整數(shù)倍，即，為量子數(shù)，取、對(duì)氫原子（原子序數(shù)）和類氫原子，考慮電子繞核運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程，則可能軌道半徑，軌道速度。電子在可能軌道上的運(yùn)動(dòng)是一種駐波形式的振動(dòng)，這時(shí)的原于是穩(wěn)定的，稱為定態(tài)。處于定態(tài)的原子能量是電子動(dòng)能與原子系統(tǒng)勢(shì)能的總和。可見(jiàn)，原子的能量狀態(tài)也是量子化的，原子處于可能的能量狀態(tài)稱為能級(jí)。當(dāng)原于從一個(gè)較

23、高能級(jí)躍遷到一個(gè)較低能級(jí)時(shí)，原于才會(huì)輻射單色光，反之，原子吸收光子時(shí)，會(huì)從較低能級(jí)躍遷到一個(gè)較高能級(jí)，輻射或吸收光子的頻率由能量守恒關(guān)系決定：?！纠?】討論一個(gè)由子和氦核組成的類氫離子，子的質(zhì)量為電子質(zhì)量的倍，其他性質(zhì)與電子相同，對(duì)此種離子，玻爾的軌道量子化理論同樣適用。若已知?dú)湓拥牟柊霃綖?，基態(tài)能量為，試求這種類氫離子的玻爾半徑和基態(tài)能量。（略去氦核的運(yùn)動(dòng)）【分析與解】根據(jù)玻爾理論，氫原子的玻爾半徑（量子數(shù)為），類氫離子中子繞氦核運(yùn)動(dòng)的可能軌道半徑，取，則； 類氫離子的最低能級(jí)（基態(tài)）的能量，式中，而氫原子基態(tài)能量，故類氫離子基態(tài)能量。 玻爾的原子模型是對(duì)經(jīng)典理論的一次量子化改良，有其不

24、足與局限，但正是有此基礎(chǔ)，才有后來(lái)的量子力學(xué)，更完整準(zhǔn)確地描述微觀粒子的波粒二象性行為。量子理論的中心思想是，一切都是由不可預(yù)言的粒子構(gòu)成的，但這些粒子的統(tǒng)計(jì)行為則遵循一種可以預(yù)言的波動(dòng)圖樣，微觀世界具有一種內(nèi)稟的、可以量化的不確定性。德國(guó)物理學(xué)家海森伯發(fā)現(xiàn)了這種不確定關(guān)系。不確定關(guān)系，也稱測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系，是量子力學(xué)中的一個(gè)極其重要而又極其基本的關(guān)系。在經(jīng)典力學(xué)中，運(yùn)動(dòng)物體具有確定的軌道，任一時(shí)刻物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可用在該軌道上確定的位置和動(dòng)量來(lái)描述，我們可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段作出精確測(cè)定。然而對(duì)微觀客體，由于具有波粒二象性，微觀粒子有別于宏觀物體在某一時(shí)刻對(duì)應(yīng)一確定位置，形成一條運(yùn)動(dòng)軌道，由運(yùn)動(dòng)軌道可求出

25、每個(gè)瞬時(shí)的動(dòng)量。微觀粒子在各個(gè)時(shí)刻出現(xiàn)在什么位置是不確定的，是隨機(jī)的，我們只能用幾率形式來(lái)表示微觀粒子的狀態(tài)，我們可以描述的只是粒子在空間各點(diǎn)出現(xiàn)的幾率，及其動(dòng)量在某一范圍內(nèi)的幾率。即，對(duì)于微觀粒子而言，確定其位置所達(dá)到的精確度和同時(shí)測(cè)量其動(dòng)量所達(dá)到的精確度是受到限制的，這個(gè)限制是。 這就是海森伯“不確定關(guān)系”的數(shù)學(xué)表達(dá)式（更精確的不確定關(guān)系表達(dá)式為），其意義是：用經(jīng)典力學(xué)的物理量來(lái)描述微觀粒子，只能在這樣的近似程度內(nèi)粒子在某一方向上位置的不準(zhǔn)量和在這方向上動(dòng)量的不準(zhǔn)量的乘積將大于或等于。不確定原理告訴我們，任何粒子都保持它們的位置與動(dòng)量的總的可能性疆域，一種不確定性的減小必使另一不確定性增大

26、同樣的程度。下面我們對(duì)這一關(guān)系作出論證。為使所涉知識(shí)易于讀者接受，某些細(xì)節(jié)會(huì)采取模糊處理。首先，我們研究較為熟悉的波的單縫衍射。如圖所示為單縫衍射實(shí)驗(yàn)裝置示意圖，為單縫，縫寬，設(shè)平行光（平面波）垂直于單縫入射，根據(jù)惠更斯原理，在單縫所在處的波面上的各點(diǎn)波源向各個(gè)方向發(fā)射新的子波，這些波經(jīng)傳播而在空間疊加，并可產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。若將波面分割成兩個(gè)面積相同、寬度為的波帶、，兩波帶上，任何兩個(gè)對(duì)應(yīng)點(diǎn)，如圖中帶上的點(diǎn)和帶上的點(diǎn)所發(fā)出的光線的光程差，式中角是子波波線與入射平行光所成的角度，是介質(zhì)折射率。當(dāng)（）時(shí)，兩波到達(dá)屏上時(shí)反相疊加而完全抵消，屏上依次出現(xiàn)第一級(jí)暗紋、第二級(jí)暗紋；當(dāng)（）時(shí)，兩波到達(dá)屏上時(shí)同

27、相疊加而加強(qiáng)，屏上依次出現(xiàn)中央明紋及其他各級(jí)明紋。由上可知，中央明紋在兩個(gè)一級(jí)暗紋之間的區(qū)域，即適合。 再來(lái)看看微觀粒子例如電子的單縫衍射。如圖所示，設(shè)有一束電子以速度沿方向射向狹縫，在屏上可以觀察到與倫琴射線衍射圖樣并無(wú)二致的電子衍射圖樣，這正是電子波動(dòng)性的表現(xiàn)，所謂“明紋”是電子到達(dá)幾率大的區(qū)域，而“暗紋”則是電子到達(dá)幾率小的區(qū)域。根據(jù)上面推得結(jié)論，考慮零級(jí)最大與第一級(jí)最小之間滿足的條件是。這里的應(yīng)是物質(zhì)波波長(zhǎng)，即?，F(xiàn)在我們想對(duì)電子的行為作經(jīng)典的描述，試圖同時(shí)確定位置和動(dòng)量在電子通過(guò)狹縫的瞬時(shí)，電子在方向上的位置由于縫的限制而被局限于狹縫之間，它的位置的坐標(biāo) 不可能超出縫寬，或者說(shuō)位置測(cè)量

28、的不確定性不可能超出，用表示決定電子在方向上的位置的不確定量，那么。此時(shí)，由于衍射，電子速度的方向有了變化，動(dòng)量的方向分量介于與之間，即，所以電子在方向上的動(dòng)量測(cè)量的不確定性不會(huì)超過(guò)，用表示電子方向動(dòng)量的不確定量，有。上式中，得，于是有 。如果把所有次級(jí)即電子所有可能到達(dá)幾率考慮在內(nèi)，則有。對(duì)上述關(guān)系推廣到適合于所有坐標(biāo)即有，。 不確定關(guān)系告訴我們，動(dòng)量和位置的不確定度的乘積在數(shù)值上近似等于普朗克恒量，這與經(jīng)典理論很不同。不可能同時(shí)確定微觀粒子的位置與動(dòng)量，也就是說(shuō)，不可能在粒子位置確定（）的情況下賦予粒子確定的動(dòng)量（），假如有一個(gè)波，它的波長(zhǎng)或動(dòng)量確定（），則它的位置是完全不確定的（）。因?yàn)?/p>

29、粒子位于空間不同點(diǎn)的幾率均等，如果粒子位置局域化（），那么各粒子對(duì)應(yīng)的是一切可能的波長(zhǎng)或動(dòng)量（）。 下面我們運(yùn)用不確定關(guān)系解決兩個(gè)具體問(wèn)題?！纠?】電子槍發(fā)射的電子束，打到熒光屏上形成一個(gè)亮點(diǎn)，亮點(diǎn)的大小和限制電子束的小孔直徑有關(guān)。小孔較大，亮點(diǎn)自然也大，小孔很小，又會(huì)出現(xiàn)電子衍射現(xiàn)象，亮點(diǎn)也會(huì)變大?，F(xiàn)設(shè)電子束的能量為，屏與孔相距。試近似求出使屏上光點(diǎn)最小的孔的直徑。【分析與解】從小孔中射出的電子束，當(dāng)孔的直徑比電子的德布羅意波長(zhǎng)大的多時(shí)，可認(rèn)為電子束是直線前行的，這時(shí)，屏上的亮斑與小孔直徑一樣大。（不考慮電子間斥力造成的離散）當(dāng)小孔的直徑小到與電子的波長(zhǎng)可比擬時(shí)，通過(guò)小孔的電子將發(fā)生衍射在屏

30、離孔很遠(yuǎn)的情況下，可認(rèn)為電子入射速度與孔平面垂直，如圖所示。根據(jù)不確定關(guān)系：，具體到本問(wèn)題，為電子衍射角。則，由圖可得，亮點(diǎn)的直徑可表示為。則當(dāng)，時(shí)，有最大值。對(duì)于題給的能量，不考慮相對(duì)論效應(yīng)，可得電子波長(zhǎng)，則?！纠?】放射性同位素的衰變時(shí)間為，試求它的能量的不確定性?！痉治雠c解】海森伯的不確定關(guān)系不僅將具有波粒二象性的量子系統(tǒng)的位置與動(dòng)量聯(lián)系起來(lái)，而且也把系統(tǒng)的其他運(yùn)動(dòng)參量加以聯(lián)系，其中最有用的是能量的不確定性與時(shí)間的不確定性之間的聯(lián)系，能量與時(shí)間的不確定關(guān)系是。這個(gè)關(guān)系描述了當(dāng)系統(tǒng)在很長(zhǎng)時(shí)間間隔內(nèi)處于一種確定的狀態(tài)，那么系統(tǒng)的能量就可以高精確度地確定；假如系統(tǒng)只有很短的時(shí)間間隔內(nèi)處于確定狀

31、態(tài)，由它的能量就成為不確定的了?？疾煳⒂^粒子從一個(gè)狀態(tài)躍遷到另一個(gè)狀態(tài)時(shí)，通常使用這個(gè)關(guān)系式。本題中的粒子發(fā)生衰變，半衰期即狀態(tài)變化的時(shí)間為，那么確定這個(gè)粒子能量的最大精確度為。1、為了減少玻璃表面反射光的成分，在玻璃表面上涂一層薄膜，薄膜的折射率小于玻璃的折射率。當(dāng)入射光包含波長(zhǎng)和情況下，為使這兩種波長(zhǎng)的反射光波最大限度地減弱，在玻璃表面涂有折射率為的薄膜。試求這種薄膜的最小厚度。2、一束白光以角射在肥皂膜上，反射光中波長(zhǎng)為的綠光顯得特別明亮，問(wèn)肥皂膜的最小厚度為多少？從垂直方向觀察，薄膜呈什么顏色？肥皂薄膜液體的折射率。3、在楊氏干涉實(shí)驗(yàn)中，波長(zhǎng)為的單色光垂直射到兩個(gè)非?？拷莫M縫。光屏離

32、雙縫的距離為，在光屏上中心峰值與第條亮線的距離是。試求 狹縫的寬度；將一厚度為的透明薄膜放到其中一個(gè)狹縫上時(shí)，光屏上的中心峰值移動(dòng)了。試求薄膜的折射率。4、如圖所示，一個(gè)會(huì)聚透鏡的直徑，焦距。沿其直徑分成兩半，再分開(kāi)相距，點(diǎn)光源到透鏡距離。作圖并計(jì)算離透鏡多遠(yuǎn)處可以觀察到干涉條紋？（透鏡兩半之間空隙被遮蓋）5、如圖所示是雙鏡干涉實(shí)驗(yàn)的裝置。設(shè)雙鏡的夾角，單色光源與兩鏡相交處的距離為，單色光波長(zhǎng)，從兩鏡相交處到屏幕距離。求屏幕上兩相鄰條紋之間的距離；在屏幕上最多可看到多少條明條紋？6、為了測(cè)量金屬絲的直徑，把金屬絲夾在兩塊平玻璃板之間，使空氣層形成劈尖，如圖所示。如用單色光垂直照射，就得到等厚干

33、涉條紋。測(cè)出干涉條紋間的距離，就可以算出金屬絲的直徑。某次的測(cè)量結(jié)果為：?jiǎn)紊獠ㄩL(zhǎng)，金屬絲與劈尖頂點(diǎn)間的距離，條明條紋間的距離為，求金屬絲的直徑。7、如圖所示，在一塊平玻璃片上，放一曲率半徑為的平凸透鏡，在、之間形成空氣薄層，當(dāng)平行光垂直射向平凸透鏡時(shí)，可以觀察到透鏡表面出現(xiàn)以接觸點(diǎn)為中心的許多同心環(huán)，稱為牛頓環(huán)。 確定形成牛頓環(huán)的明、暗環(huán)處空氣層厚度適合的條件，入射光波長(zhǎng)為； 確定明、暗環(huán)的半徑；在接觸處是明紋還是暗紋？8、如圖所示，薄膜的兩個(gè)界面和構(gòu)成尖劈，尖劈的夾角較小，光源離劈較近。證明光源發(fā)出的光經(jīng)界面和反射后產(chǎn)生的干涉條紋是以為圓心、以為半徑的圓。9、在迎面駛來(lái)的汽車上，兩盞前燈相距，試問(wèn)汽車離人多遠(yuǎn)的地方，眼睛才可以分辨這兩盞前燈？假設(shè)夜間人眼瞳孔直徑為，入射光波長(zhǎng)，并假設(shè)這個(gè)距離只取決于眼睛的圓形瞳孔處的衍射效應(yīng)。10、如圖所示是可把入射的自然光分成兩束傳播方向互相垂直的偏振光的偏振分束器結(jié)構(gòu)，兩個(gè)等邊直角玻璃棱鏡斜面對(duì)斜面，之間夾一多層膜，多層膜是由高折射率的材料硫化鋅與低折射率材料冰晶石交替鍍制而成，設(shè)高折射率為，低折射率為，自然光以角入射到多層膜上。為使反射光為完全偏振光，玻璃棱鏡的折射率應(yīng)取多少？為使透射光的偏振度最大，高折射率層的厚度與低折射率層的厚度的最小值是多少？若兩材料折射率依次為與。對(duì)于波長(zhǎng)的激光以角入射到